航天电子产品贮存期评估方法范文

《航天电子对抗》2016年第6期

摘要：航天电子产品具有长寿命、小子样、失效机理复杂等特点，难以通过传统的统计方法对其贮存期进行评估。通过对元器件进行加速贮存试验，给出了一种元器件的退化方程、伪失效寿命、加速因子以及激活能的计算方法，然后在元器件加速贮存试验的基础上提出了一种基于失效率的航天电子产品加速因子算法，该算法只需得到整机元器件数量、失效率激活能即可计算加速因子，最后对某控制器进行加速寿命试验，验证了所提出的贮存期评估方法的正确性以及工程适应性。

关键词：电子设备；贮存期；加速试验；评估

1引言

当前，航天导弹武器系统电子产品通常具有“长期贮存，一次使用”的特点，贮存期通常可达十余年，是衡量导弹武器的一个重要指标。在研制阶段需要对电子产品的贮存期进行评估，获取贮存可靠性信息。目前，国内外通常采用的贮存期评估方法是对产品进行加速贮存试验，加速贮存试验是在试验中对样本施加超过自然贮存条件的环境应力，采集并记录相关参数的失效或退化数据，在一定条件下对试验数据进行分析建模，外推出正常应力下的贮存可靠性指标。加速贮存试验分为加速寿命试验和加速退化试验。加速寿命试验以试验中出现的失效样本数作为评估依据，需要的样本数量较多，而加速退化试验以样本的退化数据作为评估依据，所需样本数量较少。航天电子设备通常由整机电路及金属件结构件组成。

为了获取电子产品的贮存期信息，必须先分别对电路、非金属件及金属件金属结构件的失效模式、失效机理及贮存期进行评估。国内大部分的研究内容还主要集中在对电子元器件、金属材料及非金属材料进行加速试验，对电子产品的整机加速试验的研究、方法还比较少。由于金属结构件的贮存可靠性元大于电子元器件，本文主要对电子产品的整机进行贮存期研究。航天电子产品整机级加速贮存试验方法是从元器件老化试验中发展而来的，但也存在差别。电子产品整机中通常包含种类各异的电子元器件，在相同试验应力下，整机内不同种类的电子元器件的加速因子（即老化速率的加速倍数）并不相同，如何通过元器件的加速因子得到整机加速贮存试验的加速因子是本文需要解决的问题。本文首先以典型电子元器件为例，介绍了其退化方程、伪失效寿命、加速因子以及激活能的计算方法，然后在元器件加速贮存试验的基础上提出了一种基于失效率的航天电子产品整机加速因子的计算方法，最后以某控制器为例说明其贮存期评估方法。

2电子元器件的加速寿命

影响电子元器件贮存寿命的因素有材料、工艺、结构、封装等，在同样的贮存条件下，相同类型的元器件其寿命基本相同，因此，对同类型的元器件选取一个代表品种进行试验，所得出的寿命信息就适用于该类型的所有元器件。本节以某开关二极管为例，说明其加速寿命评估以及加速因子、激活能的计算方法。

2．1试验应力

选择将样品分为4组，采用步进应力加速贮存试验方法。步进应力加速贮存寿命试验温度及时间分别为T1：150℃（0～900h）；T2：165℃（900～1700h）；T3：180℃（1700～2400h）；T4：195℃（2400～3000h）。在4个温度下共设置23个测试点如下：T1测试节点：0、300、500、700、900h；T2测试节点：1060、1220、1360、1540、1700h；T3测试节点：1900、2000、2100、2200、2300、2400h；T4测试节点：2490、2580、2670、2760、2840、2920、3000h。开关二极管漏电流IR为敏感电参数，因此，通过IR对其寿命进行评估。

2．2试验实施

在每个测试节点对4组样品的漏电流进行测试，对每次的测试数据分组。

2．3数据处理

2．3．1退化方程

退化方程可按以下步骤得出：1）绘制漏电流IR变化趋势图；2）对趋势图进行拟合，得到退化曲线及方程。根据测试数据，绘制4个应力温度下的退化曲线及方程如图1～4所示。

2．3．2伪失效寿命

拟合曲线的“线性”拟合程度较好，因此，利用拟合直线方程y＝a＋bt中得出的a和b的值，外推各温度下器件的伪失效寿命t。

2．3．3加速寿命方程

得到伪失效寿命后，利用概率图确定寿命的分布类型，利用拟合曲线计算各个温度下的中位寿命t（0．5），4个温度下的中位寿命分别为10734．92、7279．093、5051．21、4518．42h。图中纵坐标为lnt（0．5），横坐标为1／T（e－4）。加速寿命曲线近似为直线，根据加速方程lnt（0．5）＝a＋b／T，推算出常温25℃下，该二极管中位寿命为505812h，大约57年。

3电子产品整机加速因子研究

航天电子产品加速贮存试验首先要确定影响贮存的关键应力，在此应力下需要选择相应的加速模型进行加速因子的计算。

3．1整机加速应力的选择

选择合适的加速应力直接决定了试验的有效性及加速效率，一般应根据产品的失效机理与失效模式来选择加速应力；航天电子产品在贮存、运输、维修期间受到多种环境影响，故在选择加速贮存试验加速应力之前，应作如下考虑。1）加速应力所激发的失效机理要与实际使用状态下的失效机理相同，即保证失效机理不改变。2）应该选择对失效过程起到影响最大的应力作为加速应力。3）加速应力会导致产品同时存在几种失效机理时，应按照技术上的判断，着重关注主要的失效机理。结合航天型号工程经验，环境温度和湿度是决定产品贮存寿命及可靠性的主要因素。温度对电子产品可能引起的热效应主要有如下几个方面：1）固定电阻的阻值改变；2）温度梯度不同和不同材料的膨胀不一致使电子产品的稳定性发生变化；3）变压器和机电部件过热；4）继电器以及磁动或热动装置的吸合／释放范围变化；5）工作或贮存寿命缩短。湿度环境对电子产品的表面效应，以及材料性质的改变会产生影响。目前，还没有成熟的湿度加速试验模型可以引用。在设计时，导弹弹上电子设备大多需进行密封性设计，因此湿度不是贮存的敏感应力，本文主要考虑温度应力作为加速贮存的施加应力。

3．2整机加速因子算法

Arrhenius模型广泛应用于与温度有关的应力加速贮存试验，但Arrhenius模型只适用于元器件，不能直接应用于整机［10－11］。

4整机加速贮存试验方法

4．1整机加速方法

综合考虑温度和加速效果，选定80℃为该控制器的加速应力温度，其对应的加速贮存试验时间T为T加速时间＝T贮存期／AFT。假设该控制器的贮存期为15年，为简化试验模型，建立加速试验剖面如图6所示。样本为新出厂产品，其自然贮存寿命为0，需要进行15个循环周期的加速试验，每个循环的试验时间为365×24h／35．51＝246．7h，也即加速时间246．7h相当于自然贮存1年。试验要求如下：产品在进高温箱前，需要进行外观检查和2电性能检查，检查合格后方可进入后续的高温试验。高温箱的升温和降温的速度是2℃／min，高温箱中的温度保持在80℃并恒温0．5h后开始计时，每个循环周期后进行电性能测试，测试时需将高温箱的温度降至常温，常温恒温0．5h后，才可以开始测试。高温加速试验的有效时间不应含纳测试和恒温的时间。每个试验循环周期结束后，需对产品进行性能测试，若15个循环周期测试均合格，则可以给出15年贮存期评估结论。

5结论

本文以元器件加速试验为基础，分析了元器件的贮存期、加速因子及激活能的计算方法，在此基础上提出了一种基于元器件失效率和激活能的整机加速因子计算方法，该方法针对小样本、故障模式多样的高可靠航天电子产品的贮存期评估问题进行研究，只需得到元器件种类及数量、元器件失效率、激活能即可计算加速因子。以某弹上控制器为例，给出了其加速试验及真实度评价方法。通过本文研究，可以对电子产品的贮存期进行评估，具有一定的工程实践意义。对于加速因子真实度的评价方法是本课题后续研究的重点。

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作者：向刚1；苗静2；邱丰1 单位：1．北京航天自动控制研究所，2．北京电子工程总体研究所